Download - Bab 2 Nanopartikel
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kerangka Teori
2.1.1 Nanopartikel
Pada saat ini, pengembangan nanoteknologi terus dilakukan oleh para
peneliti dari dunia akademik maupun dari dunia industri. Semua peneliti seolah
berlomba untuk mewujudkan karya baru dalam dunia nanoteknologi. Salah satu
bidang yang menarik minat banyak peneliti adalah pengembangan metode
sintesis nanopartikel. Nanopartikel dapat terjadi secara alamiah ataupun melalui
proses sintesis oleh manusia. Sintesis nanopartikel bermakna pembuatan partikel
dengan ukuran yang kurang dari 100 nm dan sekaligus mengubah sifat atau
fungsinya. Orang umumnya ingin memahami lebih mendalam mengapa
nanopartikel dapat memiliki sifat atau fungsi yang berbeda dari material sejenis
dalam ukuran besar (bulk).
Dua hal utama yang membuat nanopartikel berbeda dengan material
sejenis dalam ukuran besar yaitu: (a) karena ukurannya yang kecil, nanopartikel
memiliki nilai perbandingan antara luas permukaan dan volume yang lebih
besar jika dibandingkan dengan partikel sejenis dalam ukuran besar. Ini
membuat nanopartikel bersifat lebih reaktif. Reaktivitas material ditentukan oleh
atom-atom di permukaan, karena hanya atom-atom tersebut yang bersentuhan
langsung dengan material lain; (b) ketika ukuran partikel menuju orde
nanometer, maka hukum fisika yang berlaku lebih didominasi oleh hukum-
hukum fisika kuantum. Sifat-sifat yang berubah pada nanopartikel biasanya
berkaitan dengan fenomena-fenomena berikut ini. Pertama adalah fenomena
kuntum sebagai akibat keterbatasan ruang gerak elektron dan pembawa muatan
lainnya dalam partikel. Fenomena ini berimbas pada beberapa sifat material
seperti perubahan warna yang dipancarkan, transparansi, kekuatan mekanik,
konduktivitas listrik, dan magnetisasi. Kedua adalah perubahan rasio jumlah atom
yang menempati permukaan terhadap jumlah total atom. Fenomena ini berimbas
pada perubahan titik didih, titik beku, dan reaktivitas kimia.
7
Perubahan-perubahan tersebut diharapkan dapat menjadi keunggulan
nanopartikel dibandingkan dengan partikel sejenis dalam keadaan bulk. Para
peneliti juga percaya bahwa kita dapat mengontrol perubahan-perubahan
tersebut ke arah yang diinginkan.
Sintesis nanopartikel dapat dilakukan dalam fasa padat, cair, maupun
gas. Proses sintesis pun dapat berlangsung secara fisika atau kimia. Proses
sintesis secara fisika tidak melibatkan reaksi kimia. Yang terjadi hanya
pemecahan material besar menjadi material berukuran nanometer, atau
pengabungan material berukuran sangat kecil, seperti kluster, menjadi partikel
berukuran nanometer tanpa mengubah sifat bahan. Proses sintesis secara kimia
melibatkan reaksi kimia dari sejumlah material awal (precursor) sehingga
dihasilkan material lain yang berukuran nanometer. Contohnya adalah
pembentukan nanopartikel garam dengan mereaksikan asam dan basa yang
bersesuaian. (Abdullah, M. dkk. 2008).
Secara umum, sintesis nanopartikel akan masuk dalam dua kelompok besar,
yaitu:
a. Top-down
Metode top-down (pengecilan ukuran) adalah memecah partikel berukuran
besar menjadi partikel berukuran nanometer. Metoda yang digunakan pada
proses top-down antara lain:
- Pearl/Ball Milling
- High-pressure homogenization
- Lithography/etching
b. Bottom-up
Metode Bottom-up (penyusunan atom-atom) adalah memulai dari atom-atom
atau molekul-molekul atau kluster-kluster yang diassembli membentuk partikel
berukuran nanometer yang dikehendaki. Metode pembuatan partikel nano terdiri
atas beberapa proses kimia dan fisika, yang meliputi:
1. Proses wet chemical, yaitu proses presipitasi seperti: kimia koloid,
metoda hidrotermal, dan proses sol-gel. Proses ini intinya mencampur
8
ion-ion dengan jumlah tertentu dengan mengontrol suhu dan tekanan
untuk membentuk insoluble material yang akan terbentuk endapan.
Endapan dikumpulkan dengan cara penyaringan atau spray drying untuk
mendapatkan butiran kering.
2. Mechanical process, termasuk grinding, milling, dan teknik mechanical
alloying. Intinya material ditumbuk secara mekanik untuk membentuk
partikel yang lebih halus.
3. Form-in-place process, seperti lithography, vacum deposition process,
dan spray coating. Proses ini spesifik untuk membuat nanopartikel
coating.
4. Gas-phase synthesis, termasuk didalamnya adalah mengontrol
perkembangan carbon nanotube dengan proses catalytic cracking
terhadap gas yang penuh dengan karbon seperti methan.
Gambar 2.1. Dua pendekatan sintesis nanopartikel: top-down dan bottom-up
9
Selain nanopartikel juga dikembangkan material nanostruktur, yaitu
material yang tersusun oleh beberapa material nanopartikel. Untuk menghasilkan
material nanostruktur maka partikel-partikel penyusunnya harus diproteksi
sehingga apabila partikel-partikel tersebut digabung menjadi material yang
berukuran besar maka sifat individualnya dipertahankan. Sifat material
nanostruktur sangat bergantung pada (a) ukuran maupun distribusi ukuran, (b)
komponen kimiawi unsur-unsur penyusun material tersebut, (c) keberadaan
interface (grain boundary), dan (d) interaksi antar grain penyusun material
nanostruktur.
Quantum dot adalah material berukuran kurang dari 100 nanometer yang
mengurung elektron secara 3-dimensi, baik arah x, y dan z. Hal ini dimungkinkan
karena diameter dari quantum dot tersebut sebanding dengan panjang gelombang
dari elektron. Bahkan, disebut bahwa quantum dot ini merupakan atom buatan
(artificial atom). Nanowire adalah material berukuran nanometer yang dapat
mengurung elektron secara 2-dimensi dan bebas bergerak di dimensi yang ketiga,
yaitu ke depan atau ke belakang.
2.1.2 Zinc (Zn)
Zinc merupakan salah satu unsur kimia dengan simbol Zn, nomor atom 30,
dan menempati tempat pertama pada golongan XII unsur transisi di dalam tabel
periodik unsur. Sebagian besar, bijih zinc dipanggang untuk mengubah sulfida
menjadi oksidanya, kemudian dilanjutkan reduksi pada temperatur tinggi dengan
karbon untuk menghasilkan logam zinc yang kemudian dikondensasi dan
dimurnikan. Persamaan reaksi yang terjadi yaitu :
ZnO(s) + C(s) Zn (s) + CO(g)
Logam zinc dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan kuningan,
sedangkan zinc oksida dimanfaatkan dalam bidang pengobatan. Pemanfaatan seng
sebagai zat anti korosif merupakan salah satu aplikasi yang paling banyak
dilakukan. (Mohlis. 2006).
10
2.1.2.1. Sifat-sifat
Zinc memiliki warna putih kebiruan. Logam ini rapuh pada suhu biasa
tetapi mudah dibentuk pada 100-150 derajat celcius, dapat mengalirkan listrik
walau tidak seefektif tembaga dan terbakar di udara pada suhu tinggi merah
menyala dengan evolusi awan putih oksida. Unsur ini juga menunjukkan sifat
yang sangat mudah dibentuk (superplasticity). Zinc maupun zirconium tidak
memiliki sifat magnet. Tetapi ZrZn2 menunjukkan sifat kemagnetan pada suhu
dibawah 35 derajat Kelvin. Senyawa ini memiliki sifat-sifat kelistrikan, panas,
optik dan solid-state yang unik. (Garmanage, 2000).
A. Sifat Kimia
Zinc cukup reaktif dan merupakan reduktor kuat. Permukaan logam zinc
murni akan dengan mudah membentuk lapisan zinc karbonat (Zn5(OH)6CO3)
karbon dioksida. Lapisan ini membantu mencegah reaksi lebih lanjut dengan
udara dan air.
Zinc yang dibakar akan menghasilkan api berwarna hijau kebiruan dan
mengeluarkan asap zinc oksida. Zinc bereaksi dengan asam, basa, dan non-logam
lainnya. Zinc yang sangat murni hanya akan bereaksi secara lambat dengan asam
pada suhu kamar. Asam kuat seperti asam klorida maupun asam sulfat dapat
menghilangkan lapisan pelindung zinc karbonat dan reaksi zinc dengan air yang
ada akan melepaskan gas hidrogen. (Mohlis. 2006).
Tabel 2.1. Sifat kimia ZincKarakterisasi sifat kimia Zinc
Jari-jari ionic 74 pm
Tingkat oksida +2
Warna ion Tak berwarna
Ion terhidrat [Zn(H2O)6]2+
Garam-garam yang terlarut Klorida, sulfat
Garam sukar larut Karbonat
Klorida Kovalen, higroskopik
Hidroksida Basa
(Garmanage, 2000).
11
Zinc secara umum memiliki keadaan oksidasi +2. Ketika senyawa dengan
keadaan oksidasi +2 terbentuk, elektron pada elektron terluar s akan terlepas, dan
ion zinc yang terbentuk akan memiliki konfigurasi [Ar]3d. Sifat kimiawi zinc
mirip dengan logam-logam transisi periode pertama seperti nikel dan tembaga,
bersifat diamagnetik dan hampir tak berwarna. Jari-jari ion zinc dan magnesium
juga hampir identik. Oleh karenanya, garam kedua senyawa ini akan memiliki
struktur kristal yang sama, dimana jari-jari ion merupakan faktor penentu, sifat-
sifat kimiawi keduanya akan sangat mirip. Zinc cenderung membentuk ikatan
kovalen berderajat tinggi, juga akan membentuk senyawa kompleks dengan
pendonor N- dan S-. Senyawa kompleks seng kebanyakan berkoordinasi 4
ataupun 6 walaupun koordinasi 5 juga diketahui ada.
B. Sifat fisis
Zinc merupakan logam yang berwarna putih kebiruan, berkilau, dan
bersifat diamagnetik. Zinc sedikit kurang padat daripada besi dan berstruktur
kristal heksagonal. Logam ini keras dan rapuh pada suhu tertentu, namun menjadi
dapat ditempa antara 100 sampai dengan 150 °C di atas 210 °C. Zinc juga mampu
menghantarkan listrik. Dibandingkan dengan logam-logam lainnya, zinc memiliki
titik lebur (420 °C) dan titik didih (900 °C) yang relatif rendah. Titik lebur zinc
merupakan yang terendah di antara semua logam-logam transisi selain raksa dan
kadmium.
Terdapat banyak sekali aloi yang mengandung zinc. Salah satu contohnya
adalah kuningan (aloi zinc dan tembaga). Logam-logam lainnya yang juga
diketahui dapat membentuk aloi dengan zinc adalah aluminium, antimon, bismut,
emas, besi, timbal, raksa, perak, timah, magnesium, kobalt, nikel, telurium, dan
natrium.Walaupun zinc maupun zirconium tidak bersifat feromagnetik, ZrZn2
memperlihatkan feromagnetisme di bawah suhu 35 K.
C. Senyawa Zinc
Kebanyakan metaloid dan non logam dapat membentuk senyawa biner
dengan zinc, terkecuali gas mulia. Oksida ZnO merupakan bubuk berwarna putih
12
yang hampir tidak larut dalam larutan netral. Ia bersifat amfoter dan dapat larut
dalam larutan asam dan basa kuat. Kalkogenida lainnya seperti ZnS, ZnSe, dan
ZnTe memiliki banyak aplikasinya dalam bidang elektronik dan optik.
Pniktogenida (Zn3N2, Zn3P2, Zn3As2 dan Zn3Sb2), peroksida ZnO2, hidrida ZnH2,
dan karbida ZnC2 juga dikenal keberadaannya. Dari keempat unsur halida, ZnF2
memiliki sifat yang paling ionik, sedangkan sisanya (ZnCl2, ZnBr2, dan ZnI2)
bertitik lebur rendah dan dianggap lebih bersifat kovalen.
Dalam larutan basa lemah yang mengandung ion Zn2+, hidroksida dari
seng Zn(OH)2 terbentuk sebagai endapan putih. Dalam larutan yang lebih alkalin,
hidroksida ini akan terlarut dalam bentuk [Zn(OH)4]2- Senyawa nitrat Zn(NO3)2,
klorat Zn(ClO3)2, sulfat ZnSO4, fosfat Zn3(PO4)2, molibdat ZnMoO4, sianida
Zn(CN)2, arsenit Zn(AsO2)2, arsenat Zn(AsO4)2•8H2O dan kromat ZnCrO4
merupakan beberapa contoh senyawa anorganik zinc. Salah satu contoh senyawa
organik paling sederhana dari zinc adalah senyawa asetat Zn(O2CCH3)2.
Senyawa organozinc merupakan senyawa-senyawa yang mengandung
ikatan kovalen zinc-karbon. Dietilzinc ((C2H5)2Zn) merupakan salah satu reagen
dalam kimia sintesis. Senyawa ini pertama kali dilaporkan pada tahun 1848 dari
reaksi antara zinc dengan etil iodida dan merupakan senyawa yang pertama kali
diketahui memiliki ikatan sigma logam-karbon. Dekametildizincosena
mengandung ikatan zinc kovalen yang kuat pada suhu kamar.
D. Metode Pembuatan Zinc
Logam zinc diproduksi menggunakan metalurgi ekstraktif. Sebuah
konsentrasi akhir zinc sekitar 50% tercapai dengan proses ini dengan sisa yang
sedang sulfur (32%), besi konsentrat (13%), dan SiO2 (5%). Mengubah sulfida
zinc konsentrat yang dihasilkan selama proses untuk oksida zinc:
2ZnSO4(aq) + 2H2O(l) → 2Zn(s) + 2H2SO4(aq)
Untuk pengolahan lebih lanjut dua metode dasar yang digunakan:
pirometalurgi (perlakuan panas mineral dan bijih metalurgi dan konsentratnya
untuk memungkinkan pemulihan logam berharga) atau elektrowining
(menghilangkan kotoran dari logam). Pengolahan pirometalurgi mengurangi zinc
13
oksida dengan karbon atau karbon monoksida pada 950°C (1740°F) ke dalam
logam, yang disuling sebagai uap zinc. (Zhang, J., Guyot, F., 1999).
Secara umum, proses untuk memperoleh logam Zn dari batuan yang ada di
alam dapat dilakukan dengan Proses Metalurgi. Diagram pemisahan Zn dari
batuan dapat dilihat pada gambar 2.2.
Diagram pemisahan Zn dan ZnO dari batuan dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Diagram Proses Extractive Metalurgy untuk logam Zn
Berdasarkan diagram diatas, bahan baku untuk mengisolasi Zn diperoleh
dari bijih galena. Pertama-tama, biji galena dihaluskan melalui proses crushing.
Setelah diperoleh serbuk biji, serbuk tersebut dimasukkan ke dalam suatu cairan.
Dengan perbedaan kerapatan (densitas) dari masing-masing komponen, maka
logam Zn akan terpisah dari komponen lain. Berdasarkan sumber bahan baku,
proses isolasi logam Zn dapat dibagi menjadi 2, yaitu:
1. Proses Utama
Proses untuk memperoleh Zn dari alam dilakukan melalui proses
penghancuran dan flotasi dari batuan alam. Bantuan yang mengandung Zn dari
lokasi penambangan direduksi dengan memanfaatkan metode pyrometallurgical
termasuk proses destilasi, atau metode hydrometallurgical termasuk proses
electrowinning, kalsinasi, dan leaching atau proses pemurnian. Proses
electrowinning adalah proses yang paling umum digunakan. Pada proses
electrowinning, digunakan sel elektrolitik untuk mereduksi Zn. Arus listrik
Bijih Zn (Galena) Serbuk biji Zn
Grinding/Crusering
Froth
Flotation
14
mengalir dari anoda menuju larutan Zn, dan kemudian Zn yang tereduksi pada
katoda siap dipisahkan. Kemudian, Zn hasil reduksi tersebut dilelehkan dan
dicetak membentuk ingot. Proses lainnya, batuan yang mengandung Zn dapat
ditambahkan dengan anion tertentu sampai membentuk garam. Garam yang
terbentuk kemudian direduksi menggunakan logam alkali sampai membentuk
logam Zn murni.
Diagram isolasi Zn tersebut dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3. Diagram Pemisahan Zn dengan Proses Reduksi
2. Proses Kedua
Produksi Zn yang kedua dilakukan dengan menggunakan bahan baku scrap,
zinc oksida, serta uap zinc. Dengan menggunakan teknik pyrometallurgical, Zn
dapat diisolasi. Proses selanjutnya dapat dilanjutkan dengan separasi magnetic
serta floating untuk memisahkan Zn dari komponen-komponen lainnya. Zn yang
didapat kemudian dilelehkan.
2.2. ZnO
Zinc oxide (rumus molekul ZnO) merupakan senyawa anorganik berwujud
bubuk, amorf berwarna putih hingga putih kekuningan. Bubuk zinc oxide
digunakan secara luas sebagai bahan aditif pada produk-produk dan material
seperti plastik, keramik, kaca, semen,pulpdent (semen untuk menambal lubang
gigi), karet (misalnya untuk karet ban), pelumas, dan lain-lain. Meski ZnO
terdapat dalam kerak bumi dalam bentuk mineral yang dinamakan zincite, namun
pada umumnya produksi ZnO komersial dilakukan secara sintetis. Zinc oxide juga
Zn batuan ZnCl2,ZnCO3 Zn
Anion CO3, Cl Logam Alkali
(Al, Mg, Na)
15
memiliki sejumlah sebutanlain, diantaranya calamine, zinc white, flowers of zinc,
dan Chinese white.
Gambar 2.4. serbuk Zinc oxide
Seng oksida merupakan senyawa anorganik dengan formula ZnO. Hal ini
biasanya muncul sebagai bubuk putih, hampir tidak larut dalam air. Serbuk
banyak digunakan sebagai aditif ke dalam berbagai bahan dan produk yang
termasuk plastik, keramik, kaca, semen, karet (misalnya, ban mobil), pelumas,
cat, salep, lem, Sealants, pigmen, makanan (sumber Zn nutrisi ), baterai, ferrites,
retardants kebakaran, ZnO dalam kerak bumi sebagai mineral zincite. Namun,
ZnO digunakan secara komersial diproduksi secara sintetis.
Dalam ilmu bahan, ZnO adalah semikonduktor yang memiliki celah lebar
pita dari kelompok semikonduktor II-VI . Doping asli dari semikonduktor adalah
tipe-n. Sebagai semikonduktor dengan lebar celah pita energi besar, ZnO sangat
potensial diaplikasi sebagai elektroda transparan dalam teknologi fotovoltaik,
pirantielektroluminisens, dan material untuk piranti pemancar ultraviolet.
ZnO nanopartikel adalah material semikonduktor yang menghasilkan
luminisens biru sampai hijau-kuning yang cukup efisien. Sifat ini menjadikan
ZnO sebagai material yang sangat potensial bagi pengembangan sumber cahaya
putih (white light sources). Karena strukturnya yang kovalen, material oksida
biasa disebut dengan keramik. Dalam bentuk lapisan tipisnya, material oksida ini
transparan terhadap cahaya dikarenakan band gap-nya zinc sulfida primordial.
16
Bijih-bijih zinc yang utama adalah sphalerita (sulfida), smithsonite (karbonat),
calamine (silikat) dan franklinite (zinc, manganese, besi oksida). Satu metoda
dalam mengambil unsur ini dari bijihnya adalah dengan cara memanggang bijih
zinc untuk membentuk oksida dan mereduksi oksidanya dengan arang atau karbon
yang dilanjutkan dengan proses distilasi.
Material yang saat ini banyak menarik perhatian karena dapat digunakan
pada berbagai aplikasi yaitu material ZnO. Dimana yang termasuk aplikasi ZnO
yaitu sebagai devais mikroelektronik dan optoelektronik, katalis, pigmen maupun
aditif pada kosmetik. Banyak teknologi yang telah dikembangkan dalam sintesis
partikel ZnO terutama untuk mendapatkan partikel dalam ukuran nanometer.
2.2.1 Karakteristik ZnO
Tidak larut dalam air dan alkohol, namun larut dan terurai pada
kebanyakan jenis asam.Melebur menjadi oksigen dan uap zinc pada suhu 1975°C
(3587 F). Menimbulkan kebakaran dan ledakan apabila bereaksi dengan
bubuk aluminium dan magnesium dalam kondisi dipanaskan.Bereaksi dengan
hydrogen sulfide untuk menghasilkan sulfide. Ketika produk yang mengandung
ZnO dan air meleleh karena terkena sinar UV, reaksinya dapat menghasilkan
hydrogen peroksida.
1) Sifat kimia
ZnO terjadi bedak putih yang dikenal sebagai seng putih atau sebagai
mineral zincite . Mineral ini biasanya berisi sejumlah mangan dan elemen lainnya
dan kuning untuk warna merah. Oksida seng Kristal adalah termokromik ,
berubah dari putih menjadi kuning ketika dipanaskan dan di udara berbalik ke
putih pada pendinginan. Dalam sifat kimia ZnO memiliki massa molar = 81.408
g/mol. ZnO ini tidak memiliki bau, mempunyai massa jenis = 5.606 g/cm3. ZnO
menguap pada suhu 2360 ºC. Memiliki gravitasi spesifik = 5.67 dan Flash point =
1436 ºC.Seng oksida merupakan oksida amfoter .Hal ini hampir tidak larut dalam
air dan alkohol,tetapi larut dalam (terdegradasi oleh) yang paling asam , seperti
klorida asam:
ZnO + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂O
17
Basis juga menurunkan padat untuk memberikan zincates larut:
ZnO + 2 NaOH + H₂O → Na₂(Zn(OH)₄).
ZnO bereaksi lambat dengan asam lemak dalam minyak untuk
menghasilkan yang sesuai carboxylates , seperti oleat atau stearat . ZnO bentuk-
seperti produk semen bila dicampur dengan larutan berair kuat seng klorida dan
ini paling baik digambarkan sebagai hidroksi seng klorida.semen ini digunakan
dalam kedokteran gigi.
2) Sifat fisik
Gambar 2. 5 Struktur Wurtzite Gambar 2.6 Sel zincblende unit
Seng oksida mengkristal dalam tiga bentuk : heksagonal wurtzite , kubik
zincblende , dan diamati kubik jarang rocksalt ). Struktur wurtzite yang paling
stabil pada kondisi kamar yang paling umum. Bentuk zincblende dapat
distabilkan dengan menumbuhkan ZnO pada substrat dengan struktur kisi kubik.
Dalam kedua kasus, dan pusat oksida seng adalahtetrahedral . The rocksalt (NaCl
tipe) struktur hanya diamati pada tekanan relatif tinggi sekitar 10 GPa.
Heksagonal dan polimorf zincblende tidak memiliki simetri inversi
(refleksi dari kristalyang relatif suatu titik tertentu tidak mengubahnya ke dalam
dirinya).. Ini dan properti lainnyahasil simetri kisi dalam piezoelektrisitas dari dan
zincblende ZnO heksagonal, dan dalam pyroelectricity ZnO heksagonal.
17
Basis juga menurunkan padat untuk memberikan zincates larut:
ZnO + 2 NaOH + H₂O → Na₂(Zn(OH)₄).
ZnO bereaksi lambat dengan asam lemak dalam minyak untuk
menghasilkan yang sesuai carboxylates , seperti oleat atau stearat . ZnO bentuk-
seperti produk semen bila dicampur dengan larutan berair kuat seng klorida dan
ini paling baik digambarkan sebagai hidroksi seng klorida.semen ini digunakan
dalam kedokteran gigi.
2) Sifat fisik
Gambar 2. 5 Struktur Wurtzite Gambar 2.6 Sel zincblende unit
Seng oksida mengkristal dalam tiga bentuk : heksagonal wurtzite , kubik
zincblende , dan diamati kubik jarang rocksalt ). Struktur wurtzite yang paling
stabil pada kondisi kamar yang paling umum. Bentuk zincblende dapat
distabilkan dengan menumbuhkan ZnO pada substrat dengan struktur kisi kubik.
Dalam kedua kasus, dan pusat oksida seng adalahtetrahedral . The rocksalt (NaCl
tipe) struktur hanya diamati pada tekanan relatif tinggi sekitar 10 GPa.
Heksagonal dan polimorf zincblende tidak memiliki simetri inversi
(refleksi dari kristalyang relatif suatu titik tertentu tidak mengubahnya ke dalam
dirinya).. Ini dan properti lainnyahasil simetri kisi dalam piezoelektrisitas dari dan
zincblende ZnO heksagonal, dan dalam pyroelectricity ZnO heksagonal.
17
Basis juga menurunkan padat untuk memberikan zincates larut:
ZnO + 2 NaOH + H₂O → Na₂(Zn(OH)₄).
ZnO bereaksi lambat dengan asam lemak dalam minyak untuk
menghasilkan yang sesuai carboxylates , seperti oleat atau stearat . ZnO bentuk-
seperti produk semen bila dicampur dengan larutan berair kuat seng klorida dan
ini paling baik digambarkan sebagai hidroksi seng klorida.semen ini digunakan
dalam kedokteran gigi.
2) Sifat fisik
Gambar 2. 5 Struktur Wurtzite Gambar 2.6 Sel zincblende unit
Seng oksida mengkristal dalam tiga bentuk : heksagonal wurtzite , kubik
zincblende , dan diamati kubik jarang rocksalt ). Struktur wurtzite yang paling
stabil pada kondisi kamar yang paling umum. Bentuk zincblende dapat
distabilkan dengan menumbuhkan ZnO pada substrat dengan struktur kisi kubik.
Dalam kedua kasus, dan pusat oksida seng adalahtetrahedral . The rocksalt (NaCl
tipe) struktur hanya diamati pada tekanan relatif tinggi sekitar 10 GPa.
Heksagonal dan polimorf zincblende tidak memiliki simetri inversi
(refleksi dari kristalyang relatif suatu titik tertentu tidak mengubahnya ke dalam
dirinya).. Ini dan properti lainnyahasil simetri kisi dalam piezoelektrisitas dari dan
zincblende ZnO heksagonal, dan dalam pyroelectricity ZnO heksagonal.
18
Tabel 2.2. Zinc Oxide secara umum :
Berat molekul (g / mol.) 81.4Jelas Kepadatan (lbs./ft3) ~ 35.Berat jenis ~ 5,6Indeks bias 2.00412.0041Melting Point (° C) 1975Titik didih (° C) 2360Permukaan Area (m2 / g) ~ 5,0-29Kelarutan Dalam Air (30 ° C) 0,00016 g/100 mLUni Eropa Indeks 030-013-00-7Bau tanpa bauMSDS ICSCWarna putih
3) Sifat mekanis
Relatif lunak dan perkiraan kekerasan 4,5 pada skala mohs. Industri yang
menggunakan zinc oxide sebagai bahan bakunya biasanya menggunakan material
berupa zinc oxide dengan konsentrasi 99-100%. Kapasitas panas tinggi dan
konduktivitas panas, ekspansi termal rendah dan suhu lebur tinggi ZnO yang
bermanfaat bagi keramik.Di antara semikonduktor terikat tetrahedrally, telah
menyatakan bahwa ZnO memiliki tensor piezoelektrik tertinggi atau setidaknya
satu sebanding dengan GaN dan AlN .
2.3 Metode Sol-Gel
Sintesis nanopartikel ZnO dapat dilakukan melalui sebuah proses yang
disebut dengan metode sol-gel yang merupakan salah satu metode yang paling
sukses dalam mempreparasi material oksida logam berukuran nano. Sol adalah
suspensi koloid yang fasa terdispersinya berbentuk solid (padat) dan fasa
pendispersinya berbentuk liquid (cairan). Suspensi dari partikel padat atau
molekul-molekul koloid dalam larutan, dibuat dengan metal alkoksi dan
dihidrolisis dengan air, menghasilkan partikel padatan metal hidroksida dalam
larutan. Reaksinya adalah reaksi hidrolisis.
19
Gel (gelation) adalah jaringan partikel atau molekul, baik padatan dan
cairan, dimana polimer yang terjadi di dalam larutan digunakan sebagai tempat
pertumbuhan zat anorganik. Pertumbuhan anorganik terjadi di gel point, dimana
energi ikat lebih rendah. Reaksinya adalah reaksi kondensasi, baik alkohol atau
air, yang menghasilkan oxygen bridge (jembatan oksigen) untuk mendapatkan
metal oksida.
Metode sintesis menggunakan sol-gel untuk material berbasis oksida
berbeda-beda bergantung prekursor dan bentuk produk akhir, baik itu berupa
powder, film, aerogel, atau serat. Struktur dan sifat fisik gel sangat bergantung
pada beberapa hal, diantaranya:
a) Pemilihan bahan baku material
b) Laju hidrolisis dan kondensasi
c) Modifikasi kimiawi dari sistem sol-gel
Metode sol gel cocok untuk preparasi thin film dan material berbentuk
powder. Tujuan preparasi ini agar suatu material keramik dapat memiliki
fungsional khusus (elektrik, optik, magnetik, dll). Metode sol gel memiliki
keuntungan antara lain:
a) Untuk partikel halus, rentang ukuran 0,1 sampai beberapa mikron
b) Mudah dalam kontrol komposisi (kehomogenan komposisi kimia baik)
c) Temperatur proses rendah
d) Biaya murah
Metode sol-gel dikenal sebagai salah satu metode sintesis nanopartikel yang
cukup sederhana dan mudah. Metode ini merupakan salah satu “wet method” atau
metode basah karena pada prosesnya melibatkan larutan sebagai medianya. Pada
metode sol-gel, sesuai dengan namanya larutan mengalami perubahan fase
menjadi sol (koloid yang mempunyai padatan tersuspensi dalam larutannya) dan
kemudian menjadi gel (koloid tetapi mempunyai fraksi solid yang lebih besar
daripada sol). (Purwanto, 2008).
20
katalis
Larutanawal
Larutan dankatalis
Pemisahan padatandengan larutan
Dipanaskan pada tempeatur tertentuSelama beberapa jam kadang-kadangjuga di rebus
Di rebus
Karakterisasi produk
Gambar 2.7. Diagram proses metode solgel
2.3.1 Proses Sol Gel
Prekursor atau bahan awal dalam pembuatannya adalah alkoksida logam
dan klorida logam, yang kemudian mengalami reaksi hidrolisis dan reaksi
polikondensasi untuk membentuk koloid, yaitu suatu sistem yang terdiri dari
partikel-partikel padat (ukuran partikel antara 1 nm sampai 1 µm) yang terdispersi
dalam suatu pelarut. Bahan awal atau precursor juga dapat disimpan pada suatu
substrat untuk membentuk film (seperti melalui dip-coating atau spin-coating),
yang kemudian dimasukkan kedalam suatu container yang sesuai dengan bentuk
yang diinginkan contohnya untuk menghasilkan suatu keramik monolitik, gelas,
fiber atau serat, membrane, aerogel, atau juga untuk mensitesis bubuk baik butiran
mikro maupun nano.
Dari beberapa tahapan proses sol-gel, terdapat dua tahapan umum dalam
pembuatan metaloksida melalui proses sol-gel, yaitu hidrolisis dan polikondensasi
seperti terlihat pada gambar berikut ini. Pada tahap hidrólisis terjadi penyerangan
molekul air.
21
Gambar 2.8. Skema umum proses pembuatan solgel
2.3.2 Kimia Sol Gel
Kimia sol gel adalah didasarkan pada hidrolisis dan kondensasi dari
precursors. Umumnya pada sol gel ditunjukkan penggunaan alkoksida sebagai
precursor. Alkoksida memberikan suatu monomer yang dalam beberapa kasus
yang terlarut dalam bermacam-macam pelarut khususnya alkohol. Alkohol
membolehkan penambahan air untuk mulai reaksi, keuntungan lain alkoksida
adalah untuk mengontrol hidrolisis dan kondensasi. Dengan alkoksida sebagai
precursor, kimia sol gel dapat disederhanakan dengan persamaan reaksi berikut.
22
Reaksi Sol-Gel
Ada dua tahapan reaksi dalam Sol-Gel yaitu :
(1) Hidrolisis metal alkoksida
(2) Kondensasi
Menurut Iler, polimerisasi sol-gel terjadi dalam tiga tahap:
1. Polimersasi monomer-monomer membentuk partikel
2. Penumbuhan partikel
3. Pengikatan partikel membentuk rantai, kemudian jaringan yang terbentuk
diperpanjang dalam medium cairan, mengental menjadi suatu gel, seperti
ditunjukkan pada Gambar berikut.
23
Gambar 2.9: a) Tahapan pembuatan sol dan b) Tahapan pembuatan gel
2.3.3 Keuntungan dan Kerugian menggunakan metode Sol-Gel
Keunggulan metode sol-gel:
Homogenitasnya lebih baik, Temperatur rendah, Kemurnian lebih baik,
Hemat energi.
Pencemaran rendah, Menghindari reaksi dengan container dan kemurnian
tinggi.
Fase pemisahan cepat, Kristalisasi cepat, Padatan non kristalin keluar
membentuk gelas.
Pembentukan fase kristal baru dari padatan non kristal baru .
Produk glass lebih baik ditentukan dengan sifat-sifat gel, Produk film
spesial.
Kerugian metode sol-gel:
Material proses cukup mahal, Residu butir-butir halus, Residu hidroksil
Residu karbon, Waktu proses cukup lama
24
Tabel 2.3. Parameter Proses Sol Gel
Tahapan
Proses
Tujuan Proses Parameter Proses
Larutan Kimia Membentuk gel Tipe precursor, Tipe pelarut, Kadar
air, Konsentrasi
precursor, Temperatur, dan pH
Aging Mendiamkan gel
untuk mengubah sifat
Waktu,Temperatur, Komposisi cairan,
Lingkungan aging
Pengeringan
(Drying)
Menghilangkan air
dari gel
Metoda pengeringan (ovaporative,
supercritical, dan freeze drying),
Temperatur, Tekanan, Waktu
Kalsinasi Mengubah sifat-sifat
fisik/kimia padatan,
sering menghasilkan
kristalisasi dan
densifikasi
Temperatur, Waktu, Gas (inert atau
reaktif)
(Widodo, S. 2010)
2.3.4 Tahapan Proses Sol-Gel
Metode sol-gel meliputi hidrolisis, kondensasi, pematangan dan
pengeringan.
A. Hidrolisis
Faktor yang sangat berpengaruh terhadap proses hidrolisis adalah rasio
air/prekusor dan jenis katalis hidrolisis yang digunakan. Peningkatan rasio
pelarut/prekursor akan meningkatkan reaksi hidrolisis yang mengakibatkan reaksi
berlangsung cepat sehingga waktu gelasi lebih cepat.
Katalis yang digunakan pada proses hidrolisis adalah jenis katalis asam atau
katalis basa, namun proses hidrolisis juga dapat berlangsung tanpa menggunakan
katalis. Dengan adanya katalis maka proses hidrolisis akan berlangsung lebih
cepat dan konversi menjadi lebih tinggi.
25
B. Kondensasi
Pada tahapan ini terjadi proses transisi dari sol menjadi gel. Pada tahap ini
telah terbentuk fasa anatase tapi masih dalam keadaan amorf
C. Pematangan (Aging)
Setelah reaksi hidrolisis dan kondensasi, dilanjutkan dengan proses
pematangan gel yang terbentuk. Proses ini lebih dikenal dengan nama proses
aging. Pada proses pematangan ini, terjadi reaksi pembentukan jaringan gel yang
lebih kaku, kuat dan menyusut di dalam larutan.
D. Pengeringan
Tahap terakhir ialah proses penguapan larutan dan cairan yang tidak
diinginkan untuk mendapatkan struktur sol-gel yang memiliki luas permukaan
yang tinggi. (Rahman, 2008)
2.4 Karakterisasi Nanopartikel ZnO
2.4.1 Scanning Electron Microscopy (SEM)
SEM merupakan suatu mikroskop elektron yang mampu untuk
menghasilkan gambar beresolusi tinggi dari sebuah permukaan sampel. Gambar
yang dihasilkan oleh SEM memiliki karakteristik penampilan tiga dimensi, dan
dapat digunakan untuk menentukan struktur permukaan dari sampel. Hasil gambar
dari SEM hanya ditampilkan dalam warna hitam putih.
SEM menerapkan prinsip difraksi elektron, dimana pengukurannya sama
seperti mikroskop optik. Prinsipnya adalah elektron yang ditembakkan akan
dibelokkan oleh lensa elektromagnetik dalam SEM.
SEM menggunakan suatu sumber elektron berupa pemicu elektron (electron
gun) sebagai pengganti sumber cahaya. Elektron-elektron ini akan diemisikan
secara termionik (emisi elektron dengan membutuhkan kalor, sehingga dilakukan
pada temperatur yang tinggi) dari sumber elektron. Elektron-elektron yang
dihasilkan adalah elektron berenergi tinggi, yang biasanya memiliki energi
berkisar 20 keV-200 keV atau sampai 1 MeV. Dalam prinsip pengukuran ini
dikenal dua jenis elektron, yaitu elektron primer dan elektron sekunder. Elektron
primer adalah elektron berenergi tinggi yang dipancarkan dari katoda (Pt, Ni, W)
26
yang dipanaskan. Katoda yang biasa digunakan adalah tungsten (W) atau
lanthanum hexaboride (LaB6). Tungsten digunakan karena memiliki titik lebur
yang paling tinggi dan tekanan uap yang paling rendah dari semua meta, sehingga
memungkinkannya dipanaskan pada temperatur tinggi untuk emisi elektron.
Elektron sekunder adalah elektron berenergi rendah, yang dibebaskan oleh atom
pada permukaan. Atom akan membebaskan elektron sekunder setelah
ditembakkan oleh elektron primer Elektron sekunder inilah yang akan ditangkap
oleh detektor, dan mengubah sinyal tersebut menjadi suatu sinyal gambar.
Proses pemindaian (scanning process) SEM secara singkat dapat dijelaskan
sebagai berikut. Sinar elektron, yang biasanya memiliki energi berkisar dari
beberapa ribu eV hingga 50 kV, difokuskan oleh satu atau dua lensa kondenser
menjadi sebuah sinar dengan spot focal yang sangat baik berukuran 1 nm hingga 5
μm. Sinar tersebut melewatibeberapa pasang gulungan pemindai (scanning coils)
di dalam lensa obyektif, yang akan membelokkan sinar itu dengan gaya raster di
atas area berbentuk persegi dari permukaan sampel. Selagi elektron-elektron
primer mengenai permukaan, mereka dipancarkan secara inelastis oleh atom-atom
di dalam sampel. Melalui kejadian penghamburan ini, sinar elektron primer
menyebar secara efektif dan mengisi volume berbentuk air mata, yang dikenal
sebagai volume interaksi, memanjang dari kurang dari 100 nm hingga sekitar 5
nm ke permukaan. Interaksi di dalam wilayah ini mengakibatkan terjadinya emisi
elektron sekunder, yang kemudian dideteksi untuk menghasilkan sebuah gambar.
Elektron-elektron sekunder akan ditangkap oleh detektor, dan mengubah sinyal
tersebut menjadi suatu sinyal gambar. Kekuatan cahaya tergantung pada jumlah
elektron-elektron sekunder yang mencapai detektor.
27
Gambar 2.10. Skema SEM. Prinsip SEM sama dengan mikroskop optik
SEM memiliki beberapa keunggulan, seperti kemampuan untuk
menggambar area yang besar secara komparatif dari spesimen, kemampuan untuk
menggambar materi bulk, dan berbagai mode analitikal yang tersedia untuk
mengkur komposisi dan sifat dsar dari spesimen. Tergantung dari instrumen,
resolusi dapat jatuh di suatu tempat diantara kurang dari 1 nm dan 20 nm.
Pembesaran gambar dari resolusi SEM yang tinggi dipengaruhi oleh besarnya
28
energi elektron yang diberikan. Semakin kecil panjang gelombang yang diberikan
oleh elektron, energinya semakin besar, sehingga resolusinya juga semakin tinggi.
Prepasi sampel pada SEM harus dilakukan dengan hati-hati karena
memanfaatkan kondisi vakum serta menggunakan elektron berenergi tinggi.
Sampel yang digunakan harus dalam keadaan kering dan bersifat konduktif
(menghantarkan elektron). Bila tidak, sampel harus dibuat konduktif terlebih
dahulu oleh pelapisan dengan karbon, emas, atau platina. (Marlina, 2007).
Gambar 2.11. Instrumentasi SEM
Syarat agar SEM dapat menghasilkan citra yang tajam permukaan benda
harus bersifat sebagai pemantul elektron atau dapat melepaskan elektron sekunder
ketika ditembak dengan berkas elektron. Benda yang akan di uji harus dilapisi
dengan logam. Jika benda yang akan diamati berasal dari logam tidak perlu
dilapisi dengan logam lagi.
28
energi elektron yang diberikan. Semakin kecil panjang gelombang yang diberikan
oleh elektron, energinya semakin besar, sehingga resolusinya juga semakin tinggi.
Prepasi sampel pada SEM harus dilakukan dengan hati-hati karena
memanfaatkan kondisi vakum serta menggunakan elektron berenergi tinggi.
Sampel yang digunakan harus dalam keadaan kering dan bersifat konduktif
(menghantarkan elektron). Bila tidak, sampel harus dibuat konduktif terlebih
dahulu oleh pelapisan dengan karbon, emas, atau platina. (Marlina, 2007).
Gambar 2.11. Instrumentasi SEM
Syarat agar SEM dapat menghasilkan citra yang tajam permukaan benda
harus bersifat sebagai pemantul elektron atau dapat melepaskan elektron sekunder
ketika ditembak dengan berkas elektron. Benda yang akan di uji harus dilapisi
dengan logam. Jika benda yang akan diamati berasal dari logam tidak perlu
dilapisi dengan logam lagi.
28
energi elektron yang diberikan. Semakin kecil panjang gelombang yang diberikan
oleh elektron, energinya semakin besar, sehingga resolusinya juga semakin tinggi.
Prepasi sampel pada SEM harus dilakukan dengan hati-hati karena
memanfaatkan kondisi vakum serta menggunakan elektron berenergi tinggi.
Sampel yang digunakan harus dalam keadaan kering dan bersifat konduktif
(menghantarkan elektron). Bila tidak, sampel harus dibuat konduktif terlebih
dahulu oleh pelapisan dengan karbon, emas, atau platina. (Marlina, 2007).
Gambar 2.11. Instrumentasi SEM
Syarat agar SEM dapat menghasilkan citra yang tajam permukaan benda
harus bersifat sebagai pemantul elektron atau dapat melepaskan elektron sekunder
ketika ditembak dengan berkas elektron. Benda yang akan di uji harus dilapisi
dengan logam. Jika benda yang akan diamati berasal dari logam tidak perlu
dilapisi dengan logam lagi.
29
Gambar 2.12. Skema gambar dasar Scanning elektron microscope (SEM).
Bagian terpenting dari SEM adalah apa yang disebut sebagai kolom elektron
(elektron column) yang memiliki piranti-piranti sebagai berikut:
1. Pembangkit elektron (elektron gun) dengan filamen sebagai pengemisi
elektron atau disebut juga sumber iluminasi.
2. Sebuah system lensa electromagnet yang dapat dimuati untuk dapat
memfokuskan atau mereduksi berkas elektron yang dihasilkan filamen ke
diameter yang sangat kecil.
3. Sebuah sistem perambah (scan) untuk menggerakan berkas elektron
terfokus tadi pada permukaan spesimen.
4. Satu atau lebih system deteksi untuk mengumpulkan hasil interaksi antara
berkas elektron dengan spesimen dan merubahnya ke signal listrik.
5. Sebuah konektor ke pompa vakum.
Untuk SEM, signal yang sangat penting adalah electron sekunder dan
electron terpantul karena kedua signal ini bervariasi sebagai akibat dari perbedaan
topografi permukaan manakala berkas electron tersebut menyapu permukaan
sampel. Emisi elektron sekunder terkungkung pada volume di sekitar permukaan
di mana berkas elektron menumbuk, sehingga memberikan bayangan dengan
resolusi yang relatif tinggi.
Prosedur Pelaksanaan menggunakan SEM :
1. Setelah alat SEM menyala, memasukkan sample ke dalam alat tersebut.
Banyaknya sample yang dapat dianalisa maksimum adalah empat sample.
29
Gambar 2.12. Skema gambar dasar Scanning elektron microscope (SEM).
Bagian terpenting dari SEM adalah apa yang disebut sebagai kolom elektron
(elektron column) yang memiliki piranti-piranti sebagai berikut:
1. Pembangkit elektron (elektron gun) dengan filamen sebagai pengemisi
elektron atau disebut juga sumber iluminasi.
2. Sebuah system lensa electromagnet yang dapat dimuati untuk dapat
memfokuskan atau mereduksi berkas elektron yang dihasilkan filamen ke
diameter yang sangat kecil.
3. Sebuah sistem perambah (scan) untuk menggerakan berkas elektron
terfokus tadi pada permukaan spesimen.
4. Satu atau lebih system deteksi untuk mengumpulkan hasil interaksi antara
berkas elektron dengan spesimen dan merubahnya ke signal listrik.
5. Sebuah konektor ke pompa vakum.
Untuk SEM, signal yang sangat penting adalah electron sekunder dan
electron terpantul karena kedua signal ini bervariasi sebagai akibat dari perbedaan
topografi permukaan manakala berkas electron tersebut menyapu permukaan
sampel. Emisi elektron sekunder terkungkung pada volume di sekitar permukaan
di mana berkas elektron menumbuk, sehingga memberikan bayangan dengan
resolusi yang relatif tinggi.
Prosedur Pelaksanaan menggunakan SEM :
1. Setelah alat SEM menyala, memasukkan sample ke dalam alat tersebut.
Banyaknya sample yang dapat dianalisa maksimum adalah empat sample.
29
Gambar 2.12. Skema gambar dasar Scanning elektron microscope (SEM).
Bagian terpenting dari SEM adalah apa yang disebut sebagai kolom elektron
(elektron column) yang memiliki piranti-piranti sebagai berikut:
1. Pembangkit elektron (elektron gun) dengan filamen sebagai pengemisi
elektron atau disebut juga sumber iluminasi.
2. Sebuah system lensa electromagnet yang dapat dimuati untuk dapat
memfokuskan atau mereduksi berkas elektron yang dihasilkan filamen ke
diameter yang sangat kecil.
3. Sebuah sistem perambah (scan) untuk menggerakan berkas elektron
terfokus tadi pada permukaan spesimen.
4. Satu atau lebih system deteksi untuk mengumpulkan hasil interaksi antara
berkas elektron dengan spesimen dan merubahnya ke signal listrik.
5. Sebuah konektor ke pompa vakum.
Untuk SEM, signal yang sangat penting adalah electron sekunder dan
electron terpantul karena kedua signal ini bervariasi sebagai akibat dari perbedaan
topografi permukaan manakala berkas electron tersebut menyapu permukaan
sampel. Emisi elektron sekunder terkungkung pada volume di sekitar permukaan
di mana berkas elektron menumbuk, sehingga memberikan bayangan dengan
resolusi yang relatif tinggi.
Prosedur Pelaksanaan menggunakan SEM :
1. Setelah alat SEM menyala, memasukkan sample ke dalam alat tersebut.
Banyaknya sample yang dapat dianalisa maksimum adalah empat sample.
30
2. Menunggu sampai alat menunjukkan Ready.
3. Sambil melihat monitor, mengatur lensa sehingga sample dapat terfokus.
4. Untuk memperbesar dan memperjelas gambar sample dapat dilakukan
dengan memutar magnifier dan brightnes.
5. Mencetak gambar sample yang diharapkan dengan bantuan personal
komputer.
Untuk analisis kualitatif dan kuantitatif sample dapat dilakukan dengan
bantuan komputer, sehingga dapat diketahui jenis unsur, dan persentase unsur
tersebut dalam sampel.
2.4.2. XRD (X-Ray Difraction)
Difraksi sinar-X digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal suatu
padatan dengan membandingkan nilai jarak d (bidang kristal) dan intensitas
puncak difraksi dengan data standar. Sinar-X merupakan radiasi elektromagnetik
dengan panjang gelombang sekitar 100 pm yang dihasilkan dari penembakkan
logam dengan elektron berenergi tinggi. Melalui analisis XRD diketahui dimensi
kisi (d = jarak antar bidang ) dalam struktur mineral. Sehingga dapat ditentukan
apakah suatu material mempunyai kerapatan yang tinggi atau tidak, dan difraksi
sinar-X suatu kristal seperti pada gambar 2.13. Hal ini dapat diketahui dari
persamaan Bragg yaitu nilai sudut difraksi θ yang berbanding terbalik dengan
nilai jarak d (jarak antar bidang) dalam kristal. Sesuai dengan persamaan Bragg:
n.λhkl = 2d sin θ
dengan : dhkl = jarak antar bidang
θ = sudut pengukuran (sudut difraksi)
λ = panjang gelombang sinar-X
31
Gambar 2.13. Difraksi sinar-X suatu kristal.
Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai
permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, sebagian sinar
tersebut akan terhamburkan dan sebagian lagi akan diteruskan ke lapisan
berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi secara konstruktif
(menguatkan) dan destruktif (melemahkan). Hamburan sinar yang berinterferensi
inilah yang digunakan untuk analisis.Difraksi sinar X hanya akan terjadi pada
sudut tertentu sehingga suatu zat akan mempunyai pola difraksi tertentu.
Pengukuran kristalinitas relatif dapat dilakukan dengan membandingkan jumlah
tinggi puncak pada sudut-sudut tertentu dengan jumlah tinggi puncak pada sampel
standar.
Di dalam kisi kristal, tempat kedudukan sederetan ion atau atom disebut
bidang kristal. Bidang kristal ini berfungsi sebagai cermin untuk merefleksikan
sinar –X yang datang. Posisi dan arah dari bidang kristal ini disebut indeks miller.
Setiap kristal memiliki bidang kristal dengan posisi dan arah yang khas, sehingga
jika disinari dengan sinar –X pada analisis XRD akan memberikan difraktogram
yang khas pula. Dari data XRD yang diperoleh, dilakukan identifikasi puncak-
puncak grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik
tersebut dengan database ICDD. Setelah itu, dilakukan refinement pada data XRD
dengan menggunakan metode Analisis Rietveld yang terdapat pada program
RIETAN. Melalui refinement tersebut, fase beserta sruktur, space group, dan
parameter kisi yang ada pada sampel yang diketahui. Melalui grafik XRD, grain
31
Gambar 2.13. Difraksi sinar-X suatu kristal.
Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai
permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, sebagian sinar
tersebut akan terhamburkan dan sebagian lagi akan diteruskan ke lapisan
berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi secara konstruktif
(menguatkan) dan destruktif (melemahkan). Hamburan sinar yang berinterferensi
inilah yang digunakan untuk analisis.Difraksi sinar X hanya akan terjadi pada
sudut tertentu sehingga suatu zat akan mempunyai pola difraksi tertentu.
Pengukuran kristalinitas relatif dapat dilakukan dengan membandingkan jumlah
tinggi puncak pada sudut-sudut tertentu dengan jumlah tinggi puncak pada sampel
standar.
Di dalam kisi kristal, tempat kedudukan sederetan ion atau atom disebut
bidang kristal. Bidang kristal ini berfungsi sebagai cermin untuk merefleksikan
sinar –X yang datang. Posisi dan arah dari bidang kristal ini disebut indeks miller.
Setiap kristal memiliki bidang kristal dengan posisi dan arah yang khas, sehingga
jika disinari dengan sinar –X pada analisis XRD akan memberikan difraktogram
yang khas pula. Dari data XRD yang diperoleh, dilakukan identifikasi puncak-
puncak grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik
tersebut dengan database ICDD. Setelah itu, dilakukan refinement pada data XRD
dengan menggunakan metode Analisis Rietveld yang terdapat pada program
RIETAN. Melalui refinement tersebut, fase beserta sruktur, space group, dan
parameter kisi yang ada pada sampel yang diketahui. Melalui grafik XRD, grain
31
Gambar 2.13. Difraksi sinar-X suatu kristal.
Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai
permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, sebagian sinar
tersebut akan terhamburkan dan sebagian lagi akan diteruskan ke lapisan
berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi secara konstruktif
(menguatkan) dan destruktif (melemahkan). Hamburan sinar yang berinterferensi
inilah yang digunakan untuk analisis.Difraksi sinar X hanya akan terjadi pada
sudut tertentu sehingga suatu zat akan mempunyai pola difraksi tertentu.
Pengukuran kristalinitas relatif dapat dilakukan dengan membandingkan jumlah
tinggi puncak pada sudut-sudut tertentu dengan jumlah tinggi puncak pada sampel
standar.
Di dalam kisi kristal, tempat kedudukan sederetan ion atau atom disebut
bidang kristal. Bidang kristal ini berfungsi sebagai cermin untuk merefleksikan
sinar –X yang datang. Posisi dan arah dari bidang kristal ini disebut indeks miller.
Setiap kristal memiliki bidang kristal dengan posisi dan arah yang khas, sehingga
jika disinari dengan sinar –X pada analisis XRD akan memberikan difraktogram
yang khas pula. Dari data XRD yang diperoleh, dilakukan identifikasi puncak-
puncak grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik
tersebut dengan database ICDD. Setelah itu, dilakukan refinement pada data XRD
dengan menggunakan metode Analisis Rietveld yang terdapat pada program
RIETAN. Melalui refinement tersebut, fase beserta sruktur, space group, dan
parameter kisi yang ada pada sampel yang diketahui. Melalui grafik XRD, grain
32
size dari sampel juga dapat diperkirakan.Grain size dihitung dengan menggunakan
persamaan Scherrer, yaitu :
cos..0,9S
B
dengan : S = grain size.
λ = panjang gelombang berkas sinar X.
B = FWHM (full width half maximum).
= besar sudut dari puncak dengan intensitas tinggi.
Gambar 2.14. XRD (X-Ray Difraction)
33
Prosedur Pelaksanaan menggunakan XRD sebagai berikut:
1. Menyalakan travo (berada di bawah jendela)
2. Menyalakan saklar otomatis ke atas di ruang sebelah (tombol ke-3 paling
kanan)
3. Menyalakan air sehingga tekanan air menunjukkan 2,6 - 2,8 atm.
4. Menaikkan voltage (berada di tembok)
5. Memasang steker PW-control dibelakang bawah meja PC
6. Memasang Nagoya Stabilisator (berada di belakang pintu).
7. Menyalakan komputer PC
8. Menyalakan XRD (tombol merah putih), tunggu sampai terdengar bunyi
klik yang cukup keras.
9. Menaikkan arus dan voltage bergantian. Biasanya menaikkan 2 kali arus
satu kali volt. Tunggu sebentar baru menaikkan lagi hingga dicapai 40 mA
dan 35 kV.
10. Memasang spesimen pada sample holder dan letakkan pada penjepit
spesimen di goniometer.
11. Pengaturan PC
a. Tekan tombol untuk mulai
b. System preparation
c. System parameter untuk mencari directory dan file
d. Utilities
e. Difraktometer commands. Enter muncul C
f. Ketik par, maka akan muncul data parameter
g. Sesuaikan data dengan data di belakang buku biru
h. Esc.
12. Mengedit pilih program (identity program) tentukan program sesuai
keper1uan misalnya theta dari sudut 10 s/d 70. Sudut theta 5.020 sudut
theta maksimum 160.020
13. Data colection. Identity Measurement
14. Memasang shutter dengan memutar tombol 4 ke penunjuk tak terhingga,
tekan tombol 4 yang berwama merah.
34
15. Menekan F1 untuk memulai pengukuran.
16. Untuk melihat pola yang terjadi selarna pengukuran tekan Data
ColIection, Display Scan dan akan terlihat pola tersebut pada layar
monitor.
17. Setelah pengukuran selesai mematikan shutter dengan memutar tombol 4
ke penunjuk nol
18. Peak hasil XRD dapat dicari dengan melihat peak search.
19. Pola XRD dapat dihaluskan dengan smooth data.
20. Mencatat pemakaian peralatan XRD ini pada buku biru.
2.4.3 PSA (Particle Size Analyzer)
Ada beberapa cara yang bisa digunakan untuk mengetahui ukuran suatu
partikel yaitu:
1. Metode ayakan (Sieve analyses)
2. Laser Diffraction (LAS)
3. Metode sedimentasi
4. Electronical Zone Sensing (EZS)
5. Analisa gambar (mikrografi)
6. Metode kromatografi
7. Ukuran aerosol submikron dan perhitungan
Sieve analyses (analisis ayakan) dalam dunia farmasi sering kali digunakan
dalam bidang mikromeritik. Yaitu ilmu yang mempelajari tentang ilmu dan
teknologi partikel kecil. Metode yang paling umum digunakan adalah analisa
gambar (mikrografi). Metode ini meliputi metode mikroskopi dan metode
holografi. Alat yang sering digunakan biasanya SEM, TEM dan AFM. Namun
seiring dengan berkembangnya ilmu pengetahuan yang lebih mengarah ke era
nanoteknologi, para peneliti mulai menggunakan Laser Diffraction (LAS). Metode
ini dinilai lebih akurat untuk bila dibandingkan dengan metode analisa gambar
maupun metode ayakan (sieve analyses), terutama untuk sample-sampel dalam
orde nanometer maupun submikron. (Lusi, 2011)
35
Contoh alat yang menggunakan metode LAS adalah particle size analyzer
(PSA). Metode LAS bisa dibagi dalam dua metode:
1. Metode basah: metode ini menggunakan media pendispersi untuk
mendispersikan material uji.
2. Metode kering: metode ini memanfaatkan udara atau aliran udara untuk
melarutkan partikel dan membawanya ke sensing zone. Metode ini baik
digunakan untuk ukuran yang kasar, dimana hubungan antarpartikel lemah
dan kemungkinan untuk beraglomerasi kecil.
Keunggulan penggunaan Particle Size Analyzer (PSA) untuk mengetahui
ukuran partikel:
1) Lebih akurat. Pengukuran partikel dengan menggunakan PSA lebih akurat
jika dibandingkan dengan pengukuran partikel dengan alat lain seperti XRD
ataupun SEM. Hal ini dikarenakan partikel didispersikan ke dalam media
sehingga ukuran partikel yang terukur adalah ukuran dari single particle.
2) Hasil pengukuran dalam bentuk distribusi, sehingga dapat menggambarkan
keseluruhan kondisi sample.
3) Rentang pengukuran dari 0,6 nanometer hingga 7 mikrometer.
Gambar 2.15. Instrumentasi PSA
35
Contoh alat yang menggunakan metode LAS adalah particle size analyzer
(PSA). Metode LAS bisa dibagi dalam dua metode:
1. Metode basah: metode ini menggunakan media pendispersi untuk
mendispersikan material uji.
2. Metode kering: metode ini memanfaatkan udara atau aliran udara untuk
melarutkan partikel dan membawanya ke sensing zone. Metode ini baik
digunakan untuk ukuran yang kasar, dimana hubungan antarpartikel lemah
dan kemungkinan untuk beraglomerasi kecil.
Keunggulan penggunaan Particle Size Analyzer (PSA) untuk mengetahui
ukuran partikel:
1) Lebih akurat. Pengukuran partikel dengan menggunakan PSA lebih akurat
jika dibandingkan dengan pengukuran partikel dengan alat lain seperti XRD
ataupun SEM. Hal ini dikarenakan partikel didispersikan ke dalam media
sehingga ukuran partikel yang terukur adalah ukuran dari single particle.
2) Hasil pengukuran dalam bentuk distribusi, sehingga dapat menggambarkan
keseluruhan kondisi sample.
3) Rentang pengukuran dari 0,6 nanometer hingga 7 mikrometer.
Gambar 2.15. Instrumentasi PSA
35
Contoh alat yang menggunakan metode LAS adalah particle size analyzer
(PSA). Metode LAS bisa dibagi dalam dua metode:
1. Metode basah: metode ini menggunakan media pendispersi untuk
mendispersikan material uji.
2. Metode kering: metode ini memanfaatkan udara atau aliran udara untuk
melarutkan partikel dan membawanya ke sensing zone. Metode ini baik
digunakan untuk ukuran yang kasar, dimana hubungan antarpartikel lemah
dan kemungkinan untuk beraglomerasi kecil.
Keunggulan penggunaan Particle Size Analyzer (PSA) untuk mengetahui
ukuran partikel:
1) Lebih akurat. Pengukuran partikel dengan menggunakan PSA lebih akurat
jika dibandingkan dengan pengukuran partikel dengan alat lain seperti XRD
ataupun SEM. Hal ini dikarenakan partikel didispersikan ke dalam media
sehingga ukuran partikel yang terukur adalah ukuran dari single particle.
2) Hasil pengukuran dalam bentuk distribusi, sehingga dapat menggambarkan
keseluruhan kondisi sample.
3) Rentang pengukuran dari 0,6 nanometer hingga 7 mikrometer.
Gambar 2.15. Instrumentasi PSA
36
Pengukuran partikel dengan menggunakan PSA biasanya menggunakan
metode basah. Metode ini dinilai lebih akurat jika dibandingkan dengan metode
kering ataupun pengukuran partikel dengan metode ayakan dan analisa gambar.
Terutama untuk sampel-sampel dalam orde nanometer dan submicron yang
biasanya memliki kecenderungan aglomerasi yang tinggi. Hal ini dikarenakan
partikel didispersikan ke dalam media sehingga partikel tidak saling
beraglomerasi (menggumpal). Dengan demikian ukuran partikel yang terukur
adalah ukuran dari single particle. Selain itu hasil pengukuran dalam bentuk
distribusi, sehingga hasil pengukuran dapat diasumsikan sudah menggambarkan
keseluruhan kondisi sampel. Beberapa analisa yang dilakukan, antara lain:
1) Menganalisa ukuran partikel.
2) Menganalisa nilai zeta potensial dari suatu larutan sample
3) Mengukur tegangan permukaan dari partikel clay bagi industri keramik dan
sejenisnya. Dimana hal ini akan berpengaruh pada struktur lapisan clay.
Struktur lapisan clay ini sangat berpengaruh pada metode slip casting.
4) Mengetahui zeta potensial coagulant untuk proses coagulasi partikel
pengotor bagi industri WTP (Water Treatment Plant)
5) Mengetahui ukuran partikel tegangan permukaan dari densitas pada emulsi
yang digunakan pada produk-produk industri beverage. (Nanortim, 2010)
2.4.4 XRF ( X-Ray Fluorescence )
XRF merupakan alat yang digunakan untuk menganalisis komposisi kimia
beserta konsentrasi unsur-unsur yang terkandung dalam suatu sample dengan
menggunakan metode spektrometri. XRF umumnya digunakan untuk menganalisa
unsur dalam mineral atau batuan. Analisis unsur di lakukan secara kualitatif
maupun kuantitatif. Analisis kualitatif dilakukan untuk menganalisi jenis unsur
yang terkandung dalam bahan dan analisis kuantitatif dilakukan untuk
menentukan konsentrasi unsur dalam bahan. Metode XRF secara luas digunakan
untuk menentukan komposisi unsur suatu material. Karena metode ini cepat dan
tidak merusak sampel, metode ini dipilih untuk aplikasi di lapangan dan industri
untuk kontrol material. Tergantung pada penggunaannya, XRF dapat dihasilkan
37
tidak hanya oleh sinar-X tetapi juga sumber eksitasi primer yang lain seperti
partikel alfa, proton atau sumber elektron dengan energi yang tinggi.
2.4.4.1 Prinsip dasar XRF ( X-Ray Fluorescence )
Apabila terjadi eksitasi sinar-X primer yang berasal dari tabung X- ray
atau sumber radioaktif mengenai sampel, sinar-X dapat diabsorpsi atau
dihamburkan oleh material. Proses dimana sinar-X diabsorpsi oleh atom dengan
mentransfer energinya pada elektron yang terdapat pada kulit yang lebih dalam
disebut efek fotolistrik. Selama proses ini, bila sinar-X primer memiliki cukup
energi, elektron pindah dari kulit yang di dalam menimbulkan kekosongan.
Kekosongan ini menghasilkan keadaan atom yang tidak stabil. Apabila atom
kembali pada keadaan stabil, elektron dari kulit luar pindah ke kulit yang lebih
dalam dan proses ini menghasilkan energi sinar-X yang tertentu dan berbeda
antara dua energi ikatan pada kulit tersebut. Emisi sinar-X dihasilkan dari proses
yang disebut X Ray Fluorescence (XRF). Proses deteksi dan analisa emisi sinar-X
disebut analisa XRF. Pada umumnya kulit K dan L terlibat pada deteksi XRF.
Sehingga sering terdapat istilah Kα dan Kβ serta Lα dan Lβ pada XRF. Jenis
spektrum X- ray dari sampel yang diradiasi akan menggambarkan puncak-puncak
pada intensitas yang berbeda.
Gambar 2.16.Transisi Elektron
38
Gambar 2.17. Prinsip pengukuran dengan XRF
(Indah. 2011).
2.4.4.2 Jenis XRF
Jenis XRF yang pertama adalah WDXRF (Wavelength-dispersive X-ray
Fluorescence) dimana dispersi sinar-X didapat dari difraksi dengan menggunakan
analyzer yang berupa cristal yang berperan sebagai grid. Kisi kristal yang spesifik
memilih panjang gelombang yang sesuai dengan hukum bragg.
Dengan menggunakan WDXRF spektrometer :
1. aplikasinya luas dan beragam.
2. Kondisi pengukuran yang optimal dari tiap – tiap elemen dapat
diprogram.
3. Analisa yang sangat bagus untuk elemen berat.
4. Sensitivitas yang sangat tinggi dan limit deteksi yang sangat rendah
39
Jenis XRF yang kedua adalah EDXRF. EDXRF (Energy-dispersive X-ray
Fluorescence) spektrometri bekerja tanpa menggunakan kristal, namun
menggunakan software yang mengatur seluruh radiasi dari sampel kedetektor.
Radiasi Emisi dari sample yang dikenai sinar-X akan langsung ditangkap oleh
detektor. Detektor menangkap foton – foton tersebut dan dikonversikan menjadi
impuls elektrik. Amplitudo dari impuls elektrik tersebut bersesuaian dengan
energi dari foton – foton yang diterima detektor. Impuls kemudian menuju sebuah
perangkat yang dinamakan MCA (Multi-Channel Analyzer) yang akan
memproses impuls tersebut. Sehingga akan terbaca dalam memori komputer
sebagai channel. Channel tersebut yang akan memberikan nilai spesifik terhadap
sampel yang dianalisa. Pada XRF jenis ini, membutuhkan biaya yang relatif
rendah, namun keakuratan berkurang.
2.4.4.3 Aplikasi XRF
X-Ray fluoresensi digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk penelitian
dalam petrologi batuan beku, sedimen, dan metamorf tanah survei pertambangan
(misalnya, mengukur nilai kadar) produksi semen keramik dan kaca manufaktur
metalurgi (misalnya, kualitas kontrol) kajian lingkungan (misalnya, analisis
partikel pada filter udara). Industri minyak bumi (misalnya kandungan sulfur dari
minyak mentah dan produk minyak bumi) bidang analisis dalam studi geologi dan
lingkungan (menggunakan portabel, genggam spektrometer XRF) X-Ray
fluoresensi sangat cocok untuk penyelidikan yang melibatkan massal kimia
analisis unsur mayor (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P) dalam batuan dan
sedimen massal kimia analisis unsur jejak (dalam kelimpahan > 1 ppm; Ba, Ce,
Co, Cr, Cu, Ga, La, Nb, Ni, Rb, Sc, Sr, Rh, U, V, Y, Zr, Zn) dalam batuan dan
sedimen - deteksi batas elemen biasanya di urutan beberapa bagian per juta
Fluoresensi sinar-X terbatas pada analisis sampel yang relatif besar, biasanya > 1
gram bahan yang dapat dipersiapkan dalam bentuk bubuk dan efektif
dihomogenisasi bahan yang komposisinya mirip, standar baik ditandai tersedia
bahan yang mengandung kelimpahan tinggi elemen yang penyerapan dan efek
fluoresensi yang cukup dipahami dengan baik.
40
2.4.4.4 Kelebihan dan kelemahan XRF
Keunggulan XRF :
1. Mudah digunakan dan Sample dapat berupa padat, bubuk (butiran) dan
cairan
2. Tidak merusak sample (Non Destructive Test), sample utuh dan analisa
dapat dilakukan berulang-ulang
3. Banyak unsur dapat dianalisa sekaligus (Na- U)
4. Konsentrasi dari ppm hingga 100%
5. Hasil keluar dalam beberapa detik (hingga beberapa menit, tergantung
aplikasi)
6. Menjadi metoda analisa unsur standar dengan banyaknya metoda analisa
ISO dan ASTM yang mengacu pada analisa XRF
Kelemahan XRF :
Tidak dapat mengetahui senyawa apa yang dibentuk oleh unsur-unsur
yang terkandung dalam material yang akan kita teliti. (Wahyu,2011)